Десятилетиями физики пытались объединить гравитацию с другими фундаментальными силами природы. Этот «священный грааль» теоретической физики, возможно, наконец-то окажется в пределах досягаемости благодаря новым исследованиям.
В природе существует четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие (ответственное за радиоактивный распад) и сильное ядерное взаимодействие (ответственное за удержание атомного ядра).
Физикам уже удавалось объединять силы на протяжении веков.
* В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм.
* В 1950-х и 1960-х годах электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие были объединены в электрослабое взаимодействие.
* Электромагнетизм и слабые и сильные ядерные взаимодействия объединены в стандартной модели физики элементарных частиц.
Гравитация сама по себе считается результатом «первого великого объединения», когда в XVII веке Исаак Ньютон объединил явления гравитации на Земле с движениями небесных тел в космосе.
Квантовое поле гравитации рассчитывается в плоском пространстве-времени. Кривая классическая метрика рассчитывается с использованием среднего значения квантового поля гравитации. Источник: Университет Аалто.
Логично предположить, что все четыре фундаментальные силы должны быть объединены в «грандиозной теории всего», которая приведёт к более глубокому пониманию природы Вселенной. Однако гравитация не очень хорошо сочетается с тремя другими фундаментальными силами.
Проблема гравитации
Хотя слабое ядерное взаимодействие и называется «слабым», на самом деле именно гравитация является слабейшей среди сил.
Сильное ядерное взаимодействие — самое сильное: более чем в 100 раз сильнее электромагнетизма и в миллион раз сильнее слабого ядерного взаимодействия. Гравитация слабее сильного ядерного взаимодействия на сто миллионов триллионов триллионов триллионов (1 с 41 нулём после него) раз.
Чтобы представить, насколько слаба гравитация, можно рассмотреть Землю. Гравитационное притяжение объекта связано с его массой. Масса Земли составляет около 6 миллионов миллиардов миллиардов кг. Но мы можем очень легко противодействовать её гравитационному притяжению, поднимая что-либо. Мышцы в вашей руке преодолевают гравитационное притяжение всей Земли каждый раз, когда вы поднимаете телефон или стакан воды.
Почему гравитация такая слабая? Никто не знает.
Между тем гравитация, лучше всего описанная общей теорией относительности Эйнштейна, не сочетается с квантовой механикой, и наоборот. Это наиболее очевидно в областях с экстремальной гравитацией, таких как чёрные дыры, или при попытке понять сингулярность, которая существовала при рождении Вселенной.
Все три другие силы имеют «частицы-переносчики», которые передают силу. Электромагнетизм передаётся фотонами — частицами света. Сильное ядерное взаимодействие передаётся глюонами, а слабое ядерное взаимодействие опирается на W+, W– и Z бозоны. Некоторые физики предсказывают существование «гравитона», но такая частица-переносчик гравитации пока не обнаружена.
Квантовая гравитация на горизонте
Основное направление исследований по объединению гравитации с другими силами — это предложенная теория «квантовой гравитации».
Новая статья, опубликованная в журнале Reports on Progress in Physics, возможно, приблизила такую теорию на шаг.
«Если это приведёт к полной квантовой теории поля гравитации, то в конечном итоге это даст ответы на очень сложные проблемы понимания сингулярностей в чёрных дырах и Большом взрыве», — говорит ведущий автор Микко Партанен из Университета Аалто в Финляндии.
По словам Партанена, объединённая теория также может решить некоторые из величайших загадок Вселенной. «Некоторые фундаментальные вопросы физики до сих пор остаются без ответа, — говорит он. — Например, нынешние теории ещё не объясняют, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии».
Оценка интереса
Частицы-переносчики сил для негаравитационных сил создают «поля», с которыми взаимодействуют другие частицы. Эти поля описываются с помощью сложной математики, известной как калибровочная теория. Если вы найдёте подходящую калибровочную теорию для описания гравитации, вы на пути к квантовой теории гравитации и объединению.
«Самое знакомое калибровочное поле — это электромагнитное поле, — говорит соавтор Юкка Тулкки, также из Университета Аалто. — Когда электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они взаимодействуют через электромагнитное поле».
Поиск гравитационного калибровочного поля ускользал от физиков десятилетиями.
«Основная идея состоит в том, чтобы иметь калибровочную теорию гравитации с симметрией, аналогичной симметриям стандартной модели, вместо того чтобы основывать теорию на совершенно другом типе симметрии пространства-времени общей теории относительности», — говорит Партанен.
Партанен и Тулкки обнаружили новый подход, основанный на симметрии, который показал первоначальные перспективы. Но предстоит ещё много математической работы, чтобы показать, что симметрия не нарушается на дальнейших этапах вычислений. И первые результаты Партанена и Тулкки помогут другим физикам проверить математику.
«Нам ещё предстоит сделать полное доказательство, но мы верим, что у нас очень хорошие шансы на успех», — говорит Тулкки.
«Я не могу сказать, когда, но я могу сказать, что через несколько лет мы будем знать гораздо больше об этом, — говорит Партанен. — Как и квантовая механика и теория относительности до неё, мы надеемся, что наша теория откроет бесчисленные возможности для исследований учёным».